新型扫描头可实现 L-PBF 金属3D打印加工过程中的质量控制

       凭借其光学领域的造诣，尼康收购SLM Solutions将对SLM Solutions金属3D打印过程的实时监测、质量控制带来新的提升。而无独有偶，这种跨界的合作似乎在昭示着3D打印过程质量控制的加速进行时。近日，Sigma Additive Solutions（纳斯达克股票代码：SASI）凭借其QA过程质量控制软件和硬件解决方案与视觉和运动控制制造商 Novanta建立合作，Sigma通过使用 Novanta 的 Firefly 3D扫描头向闭环QA过程质量控制水平提升到一个新的级别。

Novanta 的 Firefly 3D扫描头
© Sigma

 质量检测与控制同步实现

     当前的质量管理规范是在零件制造完成之后进行的，这增加了很多额外的步骤，成本和时间。而Sigma的过程质量控制IPQA允许零件在构建过程中进行调整和修正，使得质量检测与控制同步实现。机器视觉和机器学习算法是与增材制造硬件设备密切相关的人工智能技术。机器视觉和机器学习算法就像3D打印设备的眼睛与大脑一样，赋予3D打印设备监测和控制打印质量的智能化属性，降低发生打印错误的风险。

© 3D科学谷白皮书

3D科学谷的《人工智能减少缺陷-3D打印过程控制 l 人工智能赋能3D打印》一文分析过，Sigma的IPQA系统代表一项新的创新技术，用于监控金属增材制造过程（金属3D打印）。之所以需要这样做，是因为如果没有确保质量的保障措施，新兴的金属增材制造（AM）行业根本无法被接受为值得信赖的技术。

不过过程质量控制IPQA实现的难度相当高，Sigma的IPQA面临的一个挑战是，需要以200 kHz的频率进行采样，专门查看高温或相对温度，以了解熔池中发生的情况。根据3D科学谷的了解，幸运的是，Sigma能够克服这一200kHz采样难题，不仅如此，目前Sigma能够推进和开放其他架构。

 可扩展的解决方案

通过与视觉和运动控制制造商 Novanta的合作，将其三轴“萤火虫”扫描头连接到激光粉末床熔融(LPBF) 3D打印设备上，并以不需要对光学系统进行复杂改造的方式输入 Sigma 的分析套件。这种方案还支持添加多个扫描头以实现100% 覆盖，同时受益于Sigma 的质量保证解决方案的支持。

Novanta 的 Firefly 3D扫描头
© Novanta

      这种扫描头添加实时监控方案为行业树立了新标准，这种设置与其 200kHz 的数据采集速率相结合，提升了Sigma的闭环控制和激光校正的能力。Polaris Motion是Sigma数据采集方面的合作伙伴，根据3D科学谷的市场了解，200kHz 的数据采集速率是Polaris Motion的Polaris UniverseOne™同步数据采集系统提供的，它是Sigma的IPQA解决方案的组成部分。Polaris UniverseOne™的信号质量很重要。如果没有良好的信噪比，过程控制技术将无法正常工作。通过合作以实现优势结合，就过程中质量控制技术而言，这是非常令人激动的，因为这些跨界组合技术打破了增材制造工艺的发展限制。

在加工中的质量管理方面，通过Sigma的PrintRite3D ® INSPECT ™软件，基于大量的生产大数据所形成的加工参数与产品性能之间的相关性，获取符合生产要求的零件所对应的加工参数作为“基准数据”。除非与零件的机械和冶金特性数据具有相关性，否则该加工参数的值几乎没有任何意义。这意味着首先必须产生大量的测试样本来生成这个属性数据，并将属性数据关联到加工参数的“电子签名数据”。从而在新的加工过程中将每一层的“电子签名数据”与“基准数据”相对比。

质量控制以及相应的质量检测成本是3D打印技术走向工业化规模生产的最大障碍之一。通过跨界合作，Sigma在打破这个障碍方面迈出了一大步，提供了对与扫描头技术集成的分析和监控解决方案。

这种组合解决方案将会缩短3D打印零件的开发和认证时间、提高生产质量以及减少最终用户对后处理检查的需求，从而进一步降低因质量控制带来的成本。

虽然 Sigma 是 AM QA 领域中为数不多且历史最悠久的公司之一，但它并不是唯一一家。Additive Assurance、Araqev 和 Additive Monitoring Systems 等较新的初创公司正在攻克这一领域。当然，3D打印设备制造商正在推进自己的 QA质量控制解决方案，例如VELO 3D的Assure™质量保证和控制系统。该系统具有直观的图表，使用户能够查看和解释在构建过程中收集的大量数据。这些信息可帮助工程师验证构建过程中每个步骤的质量，并使其在出现问题时能够快速做出决策。确保可以帮助减少生产差异，提高产量并规避异常情况，以确保一致的增材制造结果。

 3D打印促进跨界能力建设

      Sigma在布局从数据采集到跨界硬件合作，再到数据、标准、算法方面的一系列的行业话语权。3D科学谷<<划时代！使用“共享”数据来支持标准制定及软件开发，ASTM成立CMDS材料数据和标准化联盟>>一文分享过就在2022年5月，ASTM 国际增材制造卓越中心 (AM CoE) 和创始行业成员启动 AM CoE 材料数据和标准化联盟 (CMDS) 计划。ASTM CMDS 的使命是将代表整个 AM 价值流的各行各业的关键组织聚集在一起。

       CMDS 将管理一个高谱系数据共享数据库，联盟成员使用该数据库来开发工具，例如基于物理/概率模型的工具，以及支持新 AM 应用、材料和技术的快速认证所需的数据分析，以及实时质量保证以扩大增材制造生产。CMDS的联盟成员是跨国界的，创始成员有 21 个，其中就包括Sigma。

       在全球范围内，科技的发展战略在出现新的变化，由于3D打印所具备的天然数据属性的重要性显现，数据与算法的组合，加上测试工具、仿真工具等工具的加持，将诞生也将发生更具激烈的吸引优质资源的竞争策略与方法，其中参与基础研究、数据库的建设、标准的制定等等方式将成另外一条隐形赛道。

3D打印的能力建设正在全面升级，将包括像Sigma所展示出来的开放与合作能力的建设，在此基础上实现颠覆性创新能力的建设。